田 莉，王志凌

(南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇南京211156)

現(xiàn)場總線作為繼DCS系統(tǒng)之后的新一代網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，代表著現(xiàn)代過程控制的前沿方向，具有強大的優(yōu)勢以及毋庸置疑的生命力[1]。相對于DCS的分散管理，采用集中控制的現(xiàn)場總線系統(tǒng)實現(xiàn)了真正的分散控制，具有高度可靠性。它采用開放的協(xié)議標準，按此協(xié)議標準生產(chǎn)的設(shè)備都可以方便地集成到現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，從而提高了產(chǎn)品的互換性和互操作性，正越來越多地用于制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇和電力等領(lǐng)域中。作為未來的自動控制工程技術(shù)人員，不懂現(xiàn)場總線的知識，將無法適應(yīng)新時代對自動控制人才的需求。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

由于現(xiàn)場總線是新興技術(shù)，目前國產(chǎn)化程度依然不高。導(dǎo)致其理論課程并未在我國高校中普遍推廣，僅有部分工科院校開設(shè)了此課程。而且，課程不同程度地存在理論與實踐脫節(jié)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在以下幾個方面[2]。

(1)教學(xué)內(nèi)容方面:教師授課內(nèi)容很大程度上受到了教材的局限。由于現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展迅速，教材跟不上變化，這樣使得單純用課本教學(xué)會導(dǎo)致一定的滯后性。

(2)教學(xué)手段方面:目前大多數(shù)教學(xué)仍停留在采用多媒體進行授課，幻燈片呈現(xiàn)的主要為課本內(nèi)容，很多教師并沒有擴展教材之外的內(nèi)容并做到實用技術(shù)上的更新。

(3)教學(xué)模式方面:以教師為中心的授課的方式會使學(xué)生覺得這門課理論性太強，抽象并空洞。

解決上述這些問題的最好的方法莫過于理論聯(lián)系實踐。我校基于培養(yǎng)應(yīng)用性人才的目標，本著鍛煉學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力，提高學(xué)生就業(yè)競爭力的思想，創(chuàng)辦了現(xiàn)場總線技術(shù)實驗室，為現(xiàn)場總線這門課程注入了血液，也為學(xué)生、教師以及校外人員開展相關(guān)的培訓(xùn)、科研和創(chuàng)新提供了一個平臺。

2 現(xiàn)場總線控制實驗室的構(gòu)成

實驗室以西門子S7-200PLC和S7-300PLC系列產(chǎn)品為基礎(chǔ)搭建了由Profibus現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)以及WinCC上位機監(jiān)控系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，為工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控提供了完整的解決方案[3]。整個系統(tǒng)可分為三個結(jié)構(gòu)層次，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

第一層為計算機監(jiān)控管理層:工控機為主機，運行在WinCC組態(tài)軟件環(huán)境下，對整個實驗系統(tǒng)進行監(jiān)控和調(diào)度，實現(xiàn)了管控一體化。

第二層為S7-300PLC現(xiàn)場主控制層(主站):選用西門子的中型可編程控制器S7-300系列PLC為主站，配置PN/DP通訊模塊。采用工業(yè)以太網(wǎng)與第一層進行通訊。與下一層采用Profibus-DP通訊方式連接，此外還在PC上配了5611卡，也可以作為Profibus總線的主站;另外還配置了西門子的觸摸屏，作為二類主站實現(xiàn)強大的人機交換功能。

第三層為從站設(shè)備，在這一層上可以實現(xiàn)開關(guān)量的輸入輸出控制和模擬量的輸入輸出控制;為了讓學(xué)生見識和熟悉各種現(xiàn)場控制對象，在這一層配備了各種各樣的從站:包括西門子的分布式I/O(ET200M)，實現(xiàn)了對溫度和直流電機的模擬量控制;西門子公司具有Profibus-DP通訊接口的MM440變頻器，實現(xiàn)三相交流異步電機的總線控制。此外還有西門子的小型可編程控制器S7-200PLC以及自動門系統(tǒng)、立體倉庫系統(tǒng)和機械手系統(tǒng)等對象。為了使S7-200PLC有DP通訊功能，增加了EM277模塊，為了使S7-200PLC具有以太網(wǎng)通訊的功能，增加了CP243-1模塊，整個系統(tǒng)充分展現(xiàn)了全集成自動化系統(tǒng)組成的先進性、復(fù)雜性、多變性和總線通訊方式的靈活性。

3 實踐教學(xué)體系

實踐教學(xué)體系分為三個層次:基礎(chǔ)型實驗，綜合設(shè)計型實驗和研究創(chuàng)新型實踐。學(xué)生通過基礎(chǔ)型實驗，可以鞏固課堂理論學(xué)習效果，掌握基本軟硬件的操作及使用方法，為進行綜合設(shè)計型實驗打下基礎(chǔ)。綜合設(shè)計型實驗?zāi)茏寣W(xué)生將多個對象互聯(lián)起來，構(gòu)建一個綜合性的實驗對象，通過組態(tài)軟件，實現(xiàn)上位機對下位機的遠程監(jiān)控，進一步加強學(xué)生的綜合知識運用能力。學(xué)生通過研究創(chuàng)新型實踐，最終能內(nèi)化為自己的知識，做到活學(xué)活用，對總線運用能力達到一個比較高的層次，為日后從事相關(guān)工作奠定堅實基礎(chǔ)。

3.1 基礎(chǔ)型實驗

基于相關(guān)軟件和簡單硬件的基本操作實驗，我們可讓學(xué)生學(xué)會使用相關(guān)軟件達到操控基本硬件的方法。

(1)STEP7-Micro/WIN軟件

STEP7-Micro/WIN軟件用來編制S7-200PLC的程序。學(xué)生可用此軟件對編程去控制自動門、機械手和立體倉庫等對象。

(2)STEP7軟件

西門子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站點組態(tài)和編程的標準軟件包。STEP7標準軟件包中提供一系列的應(yīng)用工具，如:SIMATIC管理器、符號編輯器、硬件診斷、編程語言、硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)等。構(gòu)成一個Profibus自動化系統(tǒng)需進行硬件組態(tài)，并用 IEC61131-3語言編制程序，實現(xiàn)對工業(yè)過程對象的聯(lián)網(wǎng)和控制。

(3)WinCC flexible軟件

西門子觸摸屏軟件WinCC flexible，是一種可視化的面向機器的HMI軟件。我們用此軟件對觸摸屏編程和組態(tài)成功后，將觸摸屏與PLC及生產(chǎn)過程對象連接起來，操作人員即可通過輕輕觸摸屏幕上的按鈕實現(xiàn)工況顯示和參數(shù)設(shè)置等功能。

(4)WinCC軟件

SIMATIC WinCC是一款運行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows控制中心。用此組態(tài)軟件完成的過程監(jiān)視系統(tǒng)，讓用戶在PC機上遠程監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場的運行。

3.2 綜合設(shè)計型實驗

實驗室目前開展了基于WinCC的自動門控制系統(tǒng)、基于WinCC的機械手控制系統(tǒng)、基于觸摸屏的變頻器控制三相電機和基于觸摸屏的立體倉庫控制系統(tǒng)等系統(tǒng)性的實驗，學(xué)生從底層的S7-200PLC實物對象程序編起，直到在PC機或觸摸屏上設(shè)計生動直觀的監(jiān)控界面。他們通過總線技術(shù)，在上位機電腦屏幕上點擊，便可控制實物對象的動作，而且對象的狀態(tài)能實時地顯示在屏幕上。

3.3 研究創(chuàng)新型實踐

學(xué)生在深刻理解協(xié)議并完成前面兩種實驗后，可創(chuàng)新性地設(shè)計現(xiàn)場總線產(chǎn)品，如開發(fā)現(xiàn)場總線從站，因為只是具有Profibus-DP接口的智能設(shè)備才能接入到總線中。我國對于Profibus-DP的應(yīng)用和研究以國外大公司的成套設(shè)備為主，價格昂貴。能按照協(xié)議自主開發(fā)Proifbus-DP智能從站，把非總線的測控設(shè)備接入到總線網(wǎng)絡(luò)中對該現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)品的國產(chǎn)化具有非?，F(xiàn)實而重大的意義[4]。

本實驗室已自主完成基于單片機和VPC3芯片開發(fā)的智能從站，并接入到實驗室的主站系統(tǒng)中進行了驗證。實物如圖2所示，用到的主要芯片在圖中用圓圈作了標注，這意味著不具備現(xiàn)場總線功能的設(shè)備，可以通過在設(shè)備上加入此協(xié)議接入現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，擴展了從站對象的范圍。

圖2 基于VPC3的智能從站的開發(fā)電路板

4 問題及解決措施

作為Proifbus主站的S7-300PLC設(shè)備價格較高，模塊配置不同時價格會有差異。一個基本的只帶總線通訊功能的S7-300PLC主站大約要花費萬元左右。如何解決學(xué)生人數(shù)多經(jīng)費有限的問題?研究實際情況發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的主要工作如編程和設(shè)置等是在電腦上完成的，并非一定要人手一臺PLC設(shè)備。本實驗室只配備了3臺S7-300PLC主站，另外配備了30臺電腦作為上位機，學(xué)生編程后分時下載程序到PLC中，解決了資源短缺的問題，提高了設(shè)備的利用率。實驗室的配置情況如圖3所示。

圖3 上下位機配置圖

5 結(jié)語

市面上Profibus實驗類教材較少，且不一定適合實驗室現(xiàn)有設(shè)備。我們在陸續(xù)開展了若干基本型、拓展型和創(chuàng)新型實驗后，需要不斷完善實驗指導(dǎo)書和相關(guān)教材的編寫，逐步形成具有特色的教材，為學(xué)生的綜合訓(xùn)練提供指導(dǎo)，同時也可作為對校外技術(shù)人員進行培訓(xùn)的以項目為導(dǎo)向的教材。

我?，F(xiàn)場總線技術(shù)實驗室的建設(shè)，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習熱情。對于加深學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生興趣，增強學(xué)生動手操作能力起到了重要作用。形成了有利于培養(yǎng)學(xué)綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力的交互式實驗教學(xué)新體系。

[1]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用(第2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2008.

[2]陳勇，張昌華，劉群英.“現(xiàn)場總線技術(shù)”課程研究型教學(xué)方案的探討[J].北京:中國電力教育，2009，(141):85-87

[3]邱佰平，喻壽益.基于以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線的過程控制系統(tǒng)實驗裝置[J].上海:實驗室研究與探索，2005，24(1):43-49

[4]孫鶴旭，粱濤，云利軍.Profibus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2007.